01 Characterization of the toughness of plastics
Toughness, as opposed to rigidity, is a quality that represents how challenging it is to deform an item. The likelihood of deformation decreases with increasing rigidity, but deformation is made simpler with increased toughness. In general, a material's rigidity determines its hardness, tensile strength, Young's modulus, flexural strength, and flexural modulus; conversely, a material's toughness determines its elongation at break and impact strength. big. Impact strength is the ability of a spline or workpiece to survive an impact; it often refers to the amount of energy that the spline can take before breaking.
Impact strength cannot be categorized as a fundamental attribute of the material since it varies based on the spline's form, the testing procedure, and the state of the test sample.
Impact tests can be done in a variety of ways. There are three different types of impact tests depending on the test temperature: normal temperature impact, low temperature impact, and high temperature impact. Additionally, depending on the sample's stress state, there are four different types of impact tests: bending impact (including cantilever beam and charpy impacts), tensile impact, torsional impact, and shear impact. Cutting impact may be split into two categories: single impacts with high energy and many impacts with low energy, depending on how many impacts are made. Different impact test techniques can be chosen for various materials or applications, leading to a variety of findings that cannot be compared.
02 Plastic toughening mechanism
There are two types of plastic toughening: rigid toughening agent toughening and flexible toughening agent toughening. The theories of direct energy absorption by elastomers, yield, crack core, multiple craze, craze-shear band, craze branching, Wu's theory, etc. are examples of the toughening mechanism. The craze-shear band hypothesis is one of those that has gained a lot of acceptance since it can satisfactorily explain a number of experimental data.
The craze-shear band hypothesis states that rubber particles primarily play two roles in the rubber-toughened plastic mix system:
Einerseits verursacht sie viele Risse und Scherbänder in der Matrix als Ort der konzentrierten Spannung;
Auf der anderen Seite kann verhindert werden, dass sich Risse zu zerstörerischen Brüchen entwickeln, indem ihre Ausbreitungsfähigkeit eingeschränkt wird.
Scherbänder können durch das Spannungsfeld gegen Ende der Raserei induziert werden, um sie zum Stillstand zu bringen. Außerdem wird das Wachstum von Rissen gestoppt, wenn sie in die Scherzone eindringen. Bei der Bildung und dem Wachstum vieler Risse und Scherbänder wird Energie verbraucht, wenn das Material beansprucht wird, was die Zähigkeit des Materials erhöht'. Scherbänder sind mit der Bildung von schmalen Hälsen verbunden, während sich Risse makroskopisch als Spannungsaufhellung zeigen. Diese beiden Phänomene zeigen unterschiedliche Verhaltensweisen in verschiedenen Kunststoffsubstraten.
03 Contributing factors to the plastic toughening impact
1. Eigenschaften des Matrixharzes
According to studies, increasing the matrix resin's hardness will also increase the toughening effect of toughened plastics. The following methods may be used to increase the matrix resin's toughness: managing crystallization and crystallinity, crystal size and shape, etc.; raising the matrix resin's molecular weight to narrow the molecular weight distribution. For instance, adding a nucleating agent to polypropylene (PP) speeds up crystallization and refines the grain structure, increasing the material's fracture toughness.
2. Dosierung und Eigenschaften des Härtungsmittels
A. The toughening agent's dispersed phase's particle sizeThe qualities of the matrix resin and the ideal value of the particle size of the elastomer's dispersion phase are different for elastomer-toughened plastics. For instance, the ideal rubber particle size in HIPS is between 0.8 and 1.3 m, the ideal ABS particle size is around 0.3 m, and the ideal PVC-modified ABS particle size is roughly 0.1 m.
B. Toughener glass transition temperature – the toughening effect is improved when the glass transition temperature of general elastomers is lower;
C. The interfacial binding strength between the toughening agent and the matrix resin, which affects the toughening effect differently depending on the system;
D. The structure of elastomer tougheners, which depends on the kind of elastomer, the degree of crosslinking, etc.
E. The amount of toughening agent – the particle distance parameter is connected to the ideal amount of toughening agent supplied;
3. Die Kraft, die die beiden Phasen zusammenhält
The macroscopically higher overall performance of the plastic is mostly due to the gain in impact strength, but a good bonding force between the two phases can also make it possible for stress to be successfully conveyed between the phases while using more energy. This binding force is typically thought of as the interaction between two phases. Block and graft copolymerization are frequent techniques for enhancing the bonding force between two phases. The distinction is that they create chemical linkages using techniques like grafting and block copolymerization. HIPS, ABS, SBS, and PUR are examples of block copolymers.
Es fällt unter die Kategorie des physikalischen Mischens für gehärtete Polymere, aber der Grundgedanke ist der gleiche. Die beiden Komponenten sollten einigermaßen kompatibel sein und im idealen Mischungsmechanismus ihre eigenen Phasen bilden. Zwischen den Phasen befindet sich eine Grenzschicht. In der Grenzschicht diffundieren die Molekülketten der beiden Polymere miteinander, und der Konzentrationsgradient ist deutlich. Wenn die Vermischung intensiviert wird, führt die Kompatibilität der Komponenten zu einer starken Bindungskraft, die anschließend die Diffusion verbessert, um die Grenzfläche zu streuen und die Grenzschicht zu verdicken. Die entscheidende Technologie für die Herstellung von Polymerlegierungen ist an dieser Stelle die Polymerkompatibilitätstechnologie, zu der auch die plastische Zähigkeit gehört!
04 What are the techniques for toughening plastic?
EPR (ethylene propylene diene), EPDM (ethylene propylene diene), butadiene rubber (BR), natural rubber (NR), isobutylene rubber (IBR), nitrile rubber (NBR), etc. are examples of toughened rubber elastomers. All plastic resins may be modified to become tougher using this method.
2. SBS, SEBS, POE, TPO, TPV, etc. are toughened using thermoplastic elastomers. It is mostly used to toughen polyolefins or non-polar resins; when used to toughen polymers with polar functional groups, such as polyesters and polyamides, a compatibilizer should be added.
3. Strengthening of reactive terpolymers and core-shell copolymers
ACR stands for "acrylates," MBS for "methyl acrylate-butadiene-styrene copolymer," PTW for "ethylene-butyl acrylate-glycidyl methacrylate copolymer," and so on. The majority of its applications are to toughen technical plastics and high temperature resistant polymer alloys.
4. Toughening and mixing of high-tensile plastic
PC/ABS, PC/PBT, HIPS/PPO, PP/PA, PP/ABS, PA/ABS, PPS/PA, etc. Engineering plastics with high toughness may be made in large part through the use of polymer alloy technology.
5. Additional toughening techniques
Sarin resin (a DuPont metal ionomer) toughening, nanoparticle toughening (using nano-CaCO3, for example), etc.
Die radikalische Additionspolymerisation wird in der Regel zur Herstellung von Allzweckpolymeren verwendet. Die Seitenketten und die Hauptkette des Moleküls sind frei von polaren Gruppen. Technische Kunststoffe können durch Zugabe von Gummi- und Elastomerpartikeln zäher gemacht werden. In der Regel werden sie durch Kondensationspolymerisation hergestellt. Polare Gruppen befinden sich in der Seitenkette oder in der Endgruppe der Molekülkette. Die Zähigkeit kann durch die Verwendung von funktionalisierten Gummi- oder Elastomerpartikeln erhöht werden.
05 How to comprehend that capacity must be increased before toughening
Wenn Kunststoffe äußeren Kräften ausgesetzt sind, nehmen sie im Allgemeinen Energie auf und geben sie über die Prozesse der Grenzflächenablösung, der Kavitation und des Scherfließens der Matrix ab. Elastomere mit hoher Verträglichkeit, mit Ausnahme von unpolaren Polymerharzen, können direkt aufgetragen werden. Um das Ziel der Endzähigkeit bei der Verwendung von Partikeln zu erreichen (gleiches Kompatibilitätsprinzip), müssen andere polare Harze erfolgreich kompatibilisiert werden. Die oben genannten Pfropfcopolymere interagieren stark mit der Matrix, wenn sie als Zähigkeitsvermittler eingesetzt werden, einschließlich:
(1) Die Additionsreaktion zwischen der funktionellen Epoxidgruppe und der endständigen Hydroxyl-, Carboxyl- oder Amingruppe des Polymers findet statt, nachdem der Ring geöffnet wurde.
(2) Kern-Schale-Zähigkeitsmechanismus: Der Kautschuk hat eine zähigkeitssteigernde Wirkung, während die äußere funktionelle Gruppe vollständig mit den Komponenten kompatibel ist;
(3) Mechanismus der Zähigkeit des Ionomers: Das physikalische Vernetzungsnetzwerk entsteht, wenn Metallionen und Carboxylatgruppen der Polymerketten einen Komplex bilden, der das Material härter macht.
In reality, this compatibilization approach may be applied to all polymer blends if the toughener is thought of as a class of polymers. Reactive compatibilization is a method we must employ when creating practical polymer blends for industry. The term "toughening agent" now refers to a "interfacial emulsifier" or "toughening compatibilizer," respectively. The name is quite expressive!
